什么是运算放大器？概念介绍

放大器" target="_blank">运算放大器(简称“运放”)是具有很高放大倍数的电路单元。在实际电路中，通常结合反馈网络共同组成某种功能模块。它是一种带有特殊耦合电路及反馈的放大器。其输出信号可以是输入信号加、减或微分、积分等数学运算的结果。由于早期应用于模拟计算机中用以实现数学运算，因而得名“运算放大器”。 由于早期应用于模拟计算机中，用以实现数学运算，故得名“运算放大器”。运放是一个从功能的角度命名的电路单元，可以由分立的器件实现，也可以实现在半导体芯片当中。随着半导体技术的发展，大部分的运放是以单芯片的形式存在。运放的种类繁多，广泛应用于电子行业当中。

运算放大器是一个内含多级放大电路的电子集成电路，其输入级是差分放大电路，具有高输入电阻和抑制零点漂移能力;中间级主要进行电压放大，具有高电压放大倍数，一般由共射极放大电路构成;输出极与负载相连，具有带载能力强、低输出电阻特点。运算放大器的应用非常广泛。

作为硬件设计中最常用的运算放大器，有必要了解和掌握。单个三极管放大倍数离散度很大，虽然硬件电路简单，却无法满足各种各样的放大倍数以及运算。只依靠外围器件从而决定放大倍数的 运算放大器 应运而生。

一、运算放大器是什么?

运算放大器是一种

多级放大器

多级直接耦合放大器

高增益、高输入阻抗，低输出阻抗的多级直流耦合放大器

高共模抑制比、高增益、高输入阻抗、低输出阻抗 的多级直接耦合放大器

运放的主要性能优点叫做Features,一般在其芯片手册首页给出。

运放的选型首先是将技术项目的指标转换成对电路的性能要求，再根据运放的指标，选择能够满足电路性能要求的型号的运放。

运放型号的选用不当将导致电路性能不符合设计预期，达不到相应的项目所需的技术指标。

二、运放的开环增益

开环增益是指：运放输出端的电压与运放两个输入端之间电位差的比值。

即Uo/(Up-Un).

运放的开环增益 直接影响用运放通过负反馈构成实际的放大器 后其放大倍数的精度。

运放的开环增益一般可达到100dB以上(105)，有的运放甚至高达160dB(108)。

但是 运放的开环增益与工作频率(输入信号频率)有关。频率越高，开环增益越低 。如图所示。

所以，需要根据实际工作频率确定运放的增益，以确定放大器的增益精度

但是高的开环增益依然有利于低频或直流情况下的精度

三、运放的输入阻抗、输出阻抗

1、输入电阻是指：运放两个输入端之间的等效电阻(前提是运放工作在线性状态)。 **

输入电阻和输出电阻的概念大家可以看看我这篇。

输入阻抗和输出阻抗

2、运放的输入电阻一般可以达到几百千欧，典型值是 1MΩ 。

3、运放的输入电阻之所以需要比较高，是因为在用运放通过负反馈构成实际的放大器后，运放输入电阻的影响可以忽略不计。这样，放大器的增益完全由外部元件决定。

3、运放的输出电阻很小，一般只有几十欧姆。

4 、运放在线性应用时，一般采用电压负反馈，而电压负反馈是降低输出电阻的(降低1+AF倍)，所以，实际的运放电路的输出电阻往往只有零点几欧姆。

5、运放低的输出电阻当然是为了具有更好的输出特性，即更好的驱动负载的能力。

6、理想运放的输入电阻应该是无穷大，输出电阻应该是零，电压增益应该是无穷大。

7、理想运放构成的放大器，其特性完全取决于外部元器件。——这是人们希望的

8、实际当然不可能，故会带来误差。问题是：只要把误差控制在技术要求可接受的范围!

四、运算放大器的基本结构

1、运放输入级一定是差动放大器，中间级为共射放大器，输出级为射极跟随器(双极型管运放)。

2、运放的两个输入端就是差动放大器的两个基极，但是这两个输入端并没有在内部设定偏置，而是置空状态。使用时，需要外部为其设置偏置(这样做是为了适应各种不同的应用情况)

3、无论外部怎么给偏置，偏置电流不变，而且，电源电流也不会因不同供电电压而改变。—— 这是因为运放内部往往采用恒流源偏置。

五、运放的开环和闭环使用

运算放大器既可能开环使用，也可能闭环使用。

开环使用就是把运放当做电压比较器使用，此时运放工作于非线性区，而在线性情况下的技术指标(输入电阻、输出电阻、带宽增益积等等)将不再适用。

闭环使用则分两种情况： 正反馈闭环 和 负反馈闭环。

正反馈闭环情况则运放同样工作在非线性区，与开环情况类似。

而负反馈情况下，由于环路的自动调节作用，将迫使运放工作在线性区。

注意：但是运放本身不能在开环情况下直接用于放大信号，即使输入信号幅度足够小。

低频增益太高，无法保证静态处于线性区。

开环增益与频率有关，无法保证运放在一定带宽范围内增益的恒定性。

增益无法根据需求进行人为设置。

总结

1、首先，运放的增益与频率有关。

2、而运放的输入阻抗不仅有输入电阻，还有输入电容。所以输入阻抗与频率有关。

3、运放的输出级由于是跟随器的电路形式，所以输出电阻小。但是随着频率的升高，跟随器的跟随能力下降，这将导致输出电阻的上升。所以输出电阻也与频率有关。

4、运放闭环应用时(负反馈)，电路的输入输出阻抗将发生变动(电压/电流负反馈将降低/升高输出电阻、串联/并联负反馈将提高/降低输入电阻)。

5、在反馈深度1+AF中，由于开环增益A与频率有关(随频率的升高A将下降)，故反馈深度与频率有关。

6、故负反馈闭环情况下，由负反馈所带来的对放大器性能的影响，其具体的影响的量都与频率有关。

运算放大器(简称“运放”)是具有很高放大倍数的电路单元。在实际电路中，通常结合反馈网络共同组成某种功能模块。它是一种带有特殊耦合电路及反馈的放大器。其输出信号可以是输入信号加、减或微分、积分等数学运算的结果。由于早期应用于模拟计算机中，用以实现数学运算，故得名“运算放大器”。运放是一个从功能的角度命名的电路单元，可以由分立的器件实现，也可以实现在半导体芯片当中。随着半导体技术的发展，大部分的运放是以单芯片的形式存在。运放的种类繁多，广泛应用于电子行业当中。

放大器用于发射机的末级，作用是将高频已调波信号进行功率放大，以满足发送功率的要求，然后经过天线将其辐射到空间，保证在一定区域内的接收机可以接收到满意的信号电平，并且不干扰相邻信道的通信。

高频功率放大器是通信系统中发送装置的重要组件。按其工作频带的宽窄划分为窄带高频功率放大器和宽带高频功率放大器两种，窄带高频功率放大器通常以具有选频滤波作用的选频电路作为输出回路，故又称为调谐功率放大器或谐振功率放大器;宽带高频功率放大器的输出电路则是传输线变压器或其他宽带匹配电路，因此又称为非调谐功率放大器。高频功率放大器是一种能量转换器件，它将电源供给的直流能量转换成为高频交流输出。

放大器可以按照电流导通角的不同，将其分为甲、乙、丙三类工作状态。甲类放大器电流的流通角为360o，适用于小信号低功率放大。乙类放大器电流的流通角约等于 180o;丙类放大器电流的流通角则小于180o。乙类和丙类都适用于大功率工作丙类工作状态的输出功率和效率是三种工作状态中最高者。高频功率放大器大多工作于丙类。但丙类放大器的电流波形失真太大，因而不能用于低频功率放大，只能用于采用调谐回路作为负载的谐振功率放大。由于调谐回路具有滤波能力，回路电流与电压仍然极近于正弦波形，失真很小。

放大器的分类

1、集成运算放大器主要类别

(1)通用型集成运算放大器

通用型集成运算放大器是指它的技术参数比较适中，可满足大多数情况下的使用要求。通用型集成运算放大器又分为Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型，其中Ⅰ型属低增益运算放大器，Ⅱ型属中增益运算放大器，Ⅲ型为高增益运算放大器。Ⅰ型和Ⅱ型基本上是早期的产品，其输入失调电压在2mV左右，开环增益一般大于80dB。

(2)高精度集成运算放大器

高精度集成运算放大器是指那些失调电压小，温度漂移非常小，以及增益、共模抑制比非常高的运算放大器。这类运算放大器的噪声也比较小。其中单片高精度集成运算放大器的失调电压可小到几微伏，温度漂移小到几十微伏每摄氏度。

(3)高速型集成运算放大器

高速型集成运算放大器的输出电压转换速率很大，有的可达2~3kV/μS。

(4)高输入阻抗集成运算放大器

高输入阻抗集成运算放大器的输入阻抗十分大，输入电流非常小。这类运算放大器的输入级往往采用MOS管。

(5)低功耗集成运算放大器

低功耗集成运算放大器工作时的电流非常小，电源电压也很低，整个运算放大器的功耗仅为几十微瓦。这类集成运算放大器多用于便携式电子产品中。

(6)宽频带集成运算放大器

宽频带集成运算放大器的频带很宽，其单位增益带宽可达千兆赫以上，往往用于宽频带放大电路中。

(7)高压型集成运算放大器

一般集成运算放大器的供电电压在15V以下，而高压型集成运算放大器的供电电压可达数十伏。

(8)功率型集成运算放大器

功率型集成运算放大器的输出级，可向负载提供比较大的功率输出。

2、光纤放大器

光纤放大器不但可对光信号进行直接放大，同时还具有实时、高增益、宽带、在线、低噪声、低损耗的全光放大功能，是新一代光纤通信系统中必不可少的关键器件;由于这项技术不仅解决了衰减对光网络传输速率与距离的限制，更重要的是它开创了1550nm频段的波分复用，从而将使超高速、超大容量、超长距离的波分复用(WDM)、密集波分复用(DWDM)、全光传输、光孤子传输等成为现实，是光纤通信发展史上的一个划时代的里程碑。